Билет 8
Кипение. Критическая температура
При постоянном объеме, давление насыщенного пара сильно зависит от температуры, т.о. закон Шарля к насыщенным парам неприменим. При повышении температуры жидкость испаряется быстрее, чем конденсируется пар. Именно увеличение плотности пара вносит основной вклад в резкое повышение давления.
Кипение – это интенсивное испарение жидкости, происходящее не только со свободной поверхности, но и во всем объеме жидкости внутрь полости образующихся пузырьков пара.
Если жидкость прогрета неравномерно, то при всплытии пузырьков давление внутри них падает за счет конденсации пара и они захлопываются. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестают схлопываться и свободно всплывают на поверхность. Жидкость закипает.
Изотерма реального газа. Чем выше температура, тем меньше объем, при котором начинается конденсация пара и больше объем, занимаемый жидкостью после того, как весь пар конденсируется.
Плотность пара и жидкости при одном и том же давлении ближе друг к другу, чем выше температура.
При достаточно высоких температурах горизонтальный участок изотермы реального газа становится совсем коротким и при некоторой температуре обращается в точку. Эта температура называется критической. Критической называют температуру, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и паром, находящимся с ней в динамическом равновесии. Каждое вещество имеет свою критическую температуру (напр. CO2 – 31 °С; H2O – 374 °С).
Состояние соответствующее точке К, в которую обращается горизонтальный участок изотермы при температуре T = Tк, называют критическим состоянием (критическая точка). Давление и объем в этом состоянии называют критическими. В критическом состоянии жидкость имеет максимальный объем, а насыщенный пар – максимальное давление.
Для превращения жидкости в пар путем испарения или кипения требуется приток теплоты. Количество теплоты, требующееся для превращения данной массы жидкости в пар той же температуры, называется теплотой парообразования этой жидкости.
Теплота парообразования зависит от рода жидкости, ее массы и температуры.
Зависимость теплоты парообразования от рода жидкости характеризуется теплотой парообразования – отношением теплоты парообразования жидкости к ее массе:
где r – удельная теплота парообразования жидкости (Дж / кг), m – масса, Qн – теплота парообразования.
Максимальная температура, при которой пар еще может обратиться в жидкость, называется критической температурой (рис.3.2).
При критической температуре удельная теплота парообразования равна нулю, т.к. нет различия между жидкостью и паром.
Превращение энергии в закрытом колебательном контуре.
Периодические изменения во времени электрического заряда (силы тока, напряжения) называются электромагнитными колебаниями. Для получения электромагнитных колебаний нужно иметь цепь, в которой энергия электрического поля могла бы превращаться в энергию магнитного поля и обратно. Электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора с емкостью C и катушки с индуктивностью L называется колебательным контуром.
Рассмотрим подробнее, как происходят электромагнитные колебания. Зарядим конденсатор емкостью С до некоторого напряжения Um и соединим его с катушкой, индуктивность которой L (рис. 14.1). На рис. 14.1а показан момент, когда разрядка конденсатора только начинается. В этот момент в конденсаторе имеется электрическое поле, а магнитного поля в катушке еще нет, поэтому вся избыточная энергия контура является электрической и выражается формулой Wэл = CUm 2/2.
Когда заряды устремляются из конденсатора в катушку, то в ней создается ЭДС самоиндукции, которая тормозит нарастание тока, но прекратить его не может. Ток нарастает до тех пор, пока конденсатор не разрядится полностью. В этот момент (рис. 14.1б) ток в цепи достигает максимальной величины Im, а вся избыточная энергия контура превращается в энергию магнитного поля катушки и выражается формулой Wмаг=LIm 2/2.
Если активное сопротивление R настолько мало, что потерей энергии на нагревание проводников можно пренебречь, то Wмаг будет равно Wэл. Таким образом, в предельном случае при R= 0, т. е. при собственных колебаниях в контуре, справедлива формула
CUm 2/2= LIm 2/2 (14.1)
В следующий момент магнитное поле в катушке начинает ослабевать и в ней наводится ЭДС самоиндукции, поддерживающая прежнее направление тока, вследствие чего происходит перезарядка конденсатора, т. е. превращение магнитной энергии в электрическую.
Когда магнитное поле в катушке исчезнет, то конденсатор опять начинает разряжаться (рис. 14.1в) и в контуре возникает ток обратного направления, пока вся электрическая энергия снова не перейдет в магнитную (рис. 14.1г). После этого за счет действия ЭДС самоиндукции конденсатор опять перезаряжается и достигается состояние, показанное на рис. 14.1а. Итак, полное колебание в контуре закончено и далее весь описанный процесс повторяется снова в том же порядке.
Как показывает теория, колебания в идеальном контуре (при R =0), т. е. собственные колебания, являются гармоническими. Период собственных колебаний определяется условием равенства реактивных сопротивлений катушки и конденсатора, т. е. формулой
XL = XC, или ω0L = l/ ω0C. (14.2)
Частоту ω0, при которой выполняется это равенство, называют собственной частотой колебательного контура.
Из (14.2) следует, что
Поскольку ω=2π/Т, то для периода собственных колебаний в контуре получим
Соотношений (14.4) называют формулой Томсона.
Из (14.4) следует, что для частоты ʋ собственных колебаний в контуре справедлива формула
Из (14.5) видно, что при достаточно малых L и С в контуре можно получить колебания высокой частоты, измеряемой миллионами герц и больше.
Чтобы получить незатухающие электромагнитные колебания, можно включить в колебательный контур источник внешней синусоидальной ЭДС е=𝜉msinωt. Под действием этой ЭДС в контуре установятся вынужденные колебания с частотой этого источника со (т. е. потечет переменный ток).
Когда частота вынужденных колебаний ω приближается к собственной частоте контура, наступает электрический резонанс.
Электрический резонанс очень широко используется в радиотехнике. Изменяя резонансную частоту колебательного контура с помощью конденсатора переменной емкости, приемник настраивают на определенную частоту, выделяя из огромного множества радиоволн передачу нужной радиостанции.
Для получения незатухающих электромагнитных колебаний на практике используют устройство, с помощью которого компенсируются потери энергии в контуре на тепловое действие при каждом полном колебании, аналогичное механизму, пополняющему энергию маятника в часах. За счет расхода энергии внешнего источника питания избыточная энергия колебательного контура W остается постоянной, а колебания становятся незатухающими. Устройство, поддерживающее незатухающие электромагнитные колебания в реальном контуре, называют генератором электромагнитных колебаний.
Токи высокой частоты имеют свои особенности. Когда такой ток течет по проводнику, то внутри проводника возникают вихревые токи, обусловленные быстрыми изменениями магнитного поля.
Эти изменения магнитного поля внутри проводника таковы, что на оси проводника вихревой ток направлен навстречу основному току, а у периферии проводника вихревой ток идет в сторону основного тока. Таким образом, ток высокой частоты по поперечному сечению проводника распределен неравномерно. Плотность тока в центре поперечного сечения проводника близка к нулю и возрастает по направлению от центра к наружной поверхности проводника.
При очень высокой частоте ток практически идет только по тонкому наружному слою проводника. Это явление называют скин-эффектом. Для таких токов сплошные провода можно заменять тонкостенными трубками.
В настоящее время токи высокой частоты получили широкое применение. Напр., для быстрого прогрева и плавления металлических тел применяются высокочастотные плавильные печи, закаливают стальные детали, производят сушку древесины, пищевых продуктов; в медицине этим пользуются для прогревания больных органов человеческого тела (электродиатермия), и т. д